○ 철도 인프라시설 관리자들은 구름접촉피로(RCF, Rolling Contact Fatigue) 때문에 발생하는 잠재적인 문제를 피하려고 매년 레일 연마에 수백만 원을 투자함

- 열차 통행량이 많아짐에 따라 발생하는 이 일반적인 현상의 증가는 수많은 차륜-레일 간 인터페이스에 의해 야기되는 과부하의 결과이며 2000년에 발생한 영국 해트필드 탈선사고의 원인으로 알려져 있음

○ Voestalpine사의 기술책임자인 Norbert Frank 박사에 의하면, 이 회사는 2000년대 중반에 이 문제를 제거하면서 유지보수 비용을 절감할 수 있는 새로운 등급의 강철 레일을 개발이 필요하다는 시장 기회를 인식함

- 그 결과로 [Dobain]이라는 제품을 탄생시켰고, 이 제품은 구름접촉피로(RCF) 관리 관점에서 세계 최초로 유지보수가 불필요한 제품으로 Voestalpine사는 주장하고 있음

- 이 제품은 현재 독일과 오스트리아에서 인증을 받기 위한 광범위한 궤도 시험이 진행 중임

- 또한, 유럽의 다른 선도적 위치의 인프라시설 관리자와 추가적인 궤도 시험과 인증 프로세스에 대한 논의가 진행 중임

○ Frank 박사에 의하면, [Dobain] 제품은 표면 구름접촉피로(RCF)의 전형적인 표시이며 곡선반경이 큰 궤도에서 유지보수의 부족으로 발생하는 경향이 있는 레일의 맹점(hot-spot, headcheck)의 계속적인 문제를 해결하기 위해 개발됨

- 레일 맹점은 계속적인 사용에 따라 발생하는 레일 표면의 미세한 균열 때문에 발생하는 것임

- 펄라이트 강철 등급의 여러 가지 형태와 레일 맹점 방지 프로파일이 이용 가능하지만, 그것들 모두 레일의 생명주기의 일정 단계에서의 레일의 맹점 발생 제거는 의문이 있으며 현재에는 이 문제를 해결하는 유일한 방법은 정기적으로 레일을 연마하는 것뿐임

○ 이전의 궤도시험에 의하면, 레일의 강철이 더 단단해지면 균열의 발생과 전파율이 더 낮아진다는 것을 보여줌

- 그런데 Voestalpine사는 개발 도중에 추가적인 프리미엄 열처리가 시행되었고 440BHN(브리넬 경도 번호, Brinell Hardness Number)까지 경도를 가진 펄라이트 미세구조를 가진 강철도, 상당한 수준으로 레일의 사용주기를 늘리면서 열 처리되지 않은 R260과 같은 이전의 강철 등급에 비교하면 유지보수 주기는 증가하지만, 여전히 레일 맹점은 생성됨을 발견함

○ 고강도 펄라이트 레일은 현재 유럽지역에서 표준으로 간주되고 있으며, 인프라시설 관리자들은 2006년과 2009년 사이에 시행된 연구 결과를 통해, 이러한 종류의 레일이 적절한 것으로 광범위하게 인식되고 있으며 InnoTrack의 권고사항이 됨

- 펄라이트 강철이 현재 벤치마킹 대상이지만, Voestalpine사는 정제된 미세구조 덕분에 균열 생성과 전파율에 대한 저항성이 증가한다고 초기 연구에서 보고된 열 처리된 베이나이트 강철이 유지보수가 불필요한 레일을 만들어낼 가능성을 매우 많이 가진 것으로 인식하고 있음

○ 결과적으로, Voestalpine사는 여러 가지 야금 처리된 강철 종류가 특정 환경에서 어떻게 반응하는지를 이해하기 위해 3~4년 동안에 걸쳐 시험을 진행 중임

- 이 연구목표는 맹점이 없는 레일을 생산하고 오스트리아 도나비츠 공장에서 새로운 레일 형태에 대한 산업용으로 사용 가능한 대량생산 프로세스를 개발하기 위한 새로운 등급을 확인해 내는 것임

○ 결국, 엔지니어들은 340~410BHN(브리넬 경도 번호)를 가지는 열 처리된 베이네이트 강철 등급을 고안했는데, 이것은 레일이 노출되는 부하에게 맞게 조정 가능함

- 이 제품은 펄라이트 강철 등급의 특성과 유사하지만, 특수한 미세 구조로 된 펄라이트와 시멘타이트 구성물의 집중과 분산 특성에 의해 추가적인 강도 제공이 가능하다고 Frank 박사는 밝힘

- 시험에 의하면, 이 제품은 맹점을 만들지도 않을 뿐 아니라 레일의 30년 수명주기에 걸쳐 고속철도 차량과 경전철 차량이 공동으로 이용하는 노선에 부가되는 혹독한 응력 하에서도 구름접촉피로(RCF)의 흔적을 제공하지 않는 충분한 경도와 강도를 제공함

○ 베이네이트는 철도에만 사용되는 강철 등급이 아니며, 비슷한 베이네이트 미세구조를 만들 수 있는 다른 프로세스가 개발되고 있음

- 그런데 이것들은 Voestalpine사의 방식보다 거의 2배 이상의 비용이 드는데, 그것은 용접가능성과 전도성을 감소시키기 위해 추가적인 합금이 필요하며 증가하는 열 팽창이 레일에 추가적인 응력을 창조하기 때문임

- 또한, 완벽한 맹점이 없는 레일은 만드는 것이 불가능한 것으로 증명됨

- Voestalpine사의 HSH 열처리 프로세스를 이용하여, 레일은 냉각 프로세스를 향상시키기 위해 액체 매개체 내에 디핑되는데, 여기서 값비싼 합금작업이 아닌 효과적인 생산 상의 열처리를 통해 구름접촉피로(RCF)에 저항성을 가진 베이네이트 미세구조를 이룰 수 있도록 재료 변환을 관리하기 위한 시간-온도 처리 전략이 적용되어야 함

<시험>

○ 1:1 차륜-레일 세트업을 사용하는 특수하게 설계된 롤링 부하 스탠드가 [Dobain]의 개발을 돕고 있음

- 이 시스템은 5년 정도가 소용되는 기존의 궤도 시험보다 더 신속하게 레일과 접촉하는 수천 회의 차륜 통과를 실험실에서 시뮬레이션함

- Frank 박사에 의하면, 이 프로세스는 푸시버튼의 작동만으로 다른 조건을 거의 모두 시뮬레이션하고 연속적인 시험 능력을 보유하고 있기 때문에, 시험 프로세스의 속도를 10배 정도 향상시킬 수 있음

- Frank 박사에 의하면, “자체적으로 개발 중인 롤링 스탠드는 차륜-레일 인터페이스를 현재 우리가 제어하는 상태로 개발하는데 10년 정도가 걸렸다. 이 시스템은 완전히 컴퓨터화되어 있고 자동으로 동작하며, 우리가 기존 선에서 단 30,000 사이클 이후에 연속적으로 맹점이 발생하는 것으로 증명된 다른 부하와 조건을 선택할 수 있도록 한다. 그런데 우리는 베이네이트 강철은 동일한 부하 조건에서도 750,000 통행 이후에도 완벽하게 맹점이 발생하지 않는다는 사실을 확인했다.”

○ 이러한 시험 결과는 [Dobain] 베이네이트 강철이 표준 등급의 강철보다 적어도 2배 정도의 수명을 가짐을 보여줌

- 레일 연마는 프로파일 유지관리를 위해 레일의 수명주기 동안 1회~2회 정도만 필요하지만, 맹점을 제거하지는 못함

- 상대적으로, R260 등급은 연마나 완전한 교체 이전에 10회 이상의 계획 유지보수가 필요하며, 이것은 [Dobain] 레일의 수명주기 동안 2배가 필요한 것임

- 펄라이트 구조인 Voestalpine사의 R350HT는 [Dobain]의 수명주기와 비슷하지만, 추가적인 시험을 통해 맹점을 제거하고 구름접촉피로(RCF)를 피하려고 이 기간에 적어도 10배 이상의 연마가 필요함을 보여줌

- Frank 박사에 의하면, “우리는 이 시험을 통해 [Dobain]을 사용하는 수명주기 비용이 기존의 레일보다 확연히 작음을 명확히 알 수 있다. 당신은 궤도 곡선과 부하에 따라 25년, 30년 그리고 40년까지 수명을 연장하려고 하지만, 이 기간동안 레일은 어떠한 맹점도 일으키지 않고 구름접촉피로(RCF) 연마가 불필요할 것이다. 선 투입되는 자금이 더 클 것이지만, 수명주기 전체를 통한 전체 비용은 소비자들에게 주어지는 혜택과 비교할 때 매우 낮은 것이다.”

○ 롤링 스탠드 시험의 성공은 Voestalpine사가 독일연방철도위원회(EBA)와 유럽철도위원회(ERA)에 [Dobain]을 고속철도와 기존 철도노선에 적용할 수 있도록 상호호환성 기술사양(TSI) 승인 요청을 하도록 함

- 궤도 시험은 국내 네트워크 인프라시설 관리회사가 요구하는 표준을 만족하게 하는 인증 프로세스의 일부분으로서, DB Network와 오스트리아연방철도(őBB)와 협력하여 진행 중임

- Frank 박사에 의하면, DB Network와의 시험은 화물철도와 ICE 고속철도 차량에 의해 정기적으로 사용되는 매우 응력을 많이 받는 지역에 있는 레일에 대한 5개년 프로그램 중의 1.5년이 진행 중임

- 지금까지, [Dobain] 궤도는 예상했던 대로 어떠한 맹점도 생성시키지 않았으며 이것은 작년부터 시험이 시작된 오스트리아에서도 같음

○ 시험이 앞으로 3~4년 내에 완료되고 인증이 통과되면, Voestalpine사는 [Dobain] 제품을 신선 및 교체 프로젝트로서 시장에 공급하기를 원함

- Frank 박사에 의하면, “우리의 목표는 모든 프로파일에 이용 가능한 120미터 길이의 [Dobain] 베이네이트 레일을 생산하는 것이다.”

- 만약 시험 결과가 계속 유지된다면, 가용도와 서비스 품질에 심각하게 영향을 미치는 유지보수 계획을 감소시키고 비용을 절감하는 방법을 계속 모색하는 철도 인프라시설 관리회사에는 아주 흥미로운 일이 될 것임